蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞試驗?zāi)Ｐ头抡嫜芯?/h1>
2013-02-24 09:21:49祖洪彪
核技術(shù) 2013年4期
李 奇 張 鍇 祖洪彪
1（上海?；⒃畔⒖萍加邢薰?上海 200235）2（上海核工程研究設(shè)計院 上海 200233）
蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞試驗?zāi)Ｐ头抡嫜芯?/p>
李 奇1張 鍇2祖洪彪2
1（上海海基盛元信息科技有限公司 上海 200235）2（上海核工程研究設(shè)計院 上海 200233）
隨著核電廠采用提升功率的方式提高發(fā)電效益，蒸汽發(fā)生器中的干燥器部件容易受到較高的脈動壓力載荷而導(dǎo)致聲疲勞。本文介紹了蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞試驗方案：蒸發(fā)器上腔室縮比模型研究。利用計算聲學(xué)軟件ACTRAN進行仿真分析，研究試驗裝置內(nèi)部聲載荷分布特征。研究結(jié)果為后續(xù)試驗測點布置提供技術(shù)支撐。
核電，干燥器，聲疲勞，ACTRAN
1 蒸汽發(fā)生器干燥器的聲疲勞隱患
核電站自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器中的汽水分離裝置包括汽水分離器和干燥器，是蒸汽發(fā)生器中的主要部件。近期對蒸汽發(fā)生器的研究表明，隨著核電企業(yè)采用提升功率的方式提高發(fā)電效益，其內(nèi)部的干燥器容易受到較高的脈動壓力載荷而導(dǎo)致聲疲勞[1]。在美國，沸水堆(BWR-3)提升單堆功率后，蒸汽濕度隨之增加。單堆功率提升17%后，對蒸汽發(fā)生器干燥器進行檢修發(fā)現(xiàn)，由于聲致振動將導(dǎo)致其出現(xiàn)高周疲勞損傷。
2 聲疲勞問題的成因
隨著科技工作者對蒸汽發(fā)生器干燥器深入研究，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管線閥門的聲共振是導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器干燥器失效的重要原因[2,3]。
蒸汽經(jīng)過安全閥，形成空腔共鳴聲，安全閥和主蒸汽管線連接處的聲場與不穩(wěn)定的渦旋相互作用產(chǎn)生聲共振，如圖1所示[4]。安全閥在主蒸汽管線上引起的流致聲共振被認為是主要聲源。圖2顯示其聲壓力波經(jīng)主蒸汽管線傳播，作用到干燥器表面，引起干燥器聲疲勞破壞[5,6]。聲疲勞成為影響蒸汽發(fā)生器安全可靠性的重要隱患。
圖1 安全閥管道內(nèi)的流致聲共振現(xiàn)象Fig.1 Flow-induced acoustic resonance phenomenon.
圖2 蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞問題原理圖Fig.2 Schematic diagram of the steam dryer.
3 蒸汽發(fā)生器上腔室模型研究
為評估目前核電站蒸汽發(fā)生器干燥器的聲載荷及聲疲勞問題，本文對蒸汽發(fā)生器上腔室模型進行仿真分析。通過在主蒸汽管道出口端施加單位聲載荷，預(yù)測干燥器表面聲載荷分布特征，為后續(xù)試驗研究及干燥器聲疲勞分析提供技術(shù)支撐。
3.1計算方法與理論基礎(chǔ)
本研究工作使用計算聲學(xué)軟件ACTRAN，其基于有限元方法，求解聲波動方程獲得空間內(nèi)聲場分布。
假定流體是理想的聲學(xué)介質(zhì)，則聲波動方程為
對于無吸聲材料的剛性壁面Ar上：
對于無吸聲材料的柔性壁面Ae上：
對于有吸聲材料的壁面Aa上：
式中，c為流體介質(zhì)中的聲速，p為瞬時聲壓，2▽為拉式算子，0ρ是流體密度，Za為吸收表面Aa的聲阻抗率，為振動表面的法向加速度分量。
3.2幾何模型
干燥器聲疲勞試驗腔體截面?zhèn)纫晥D如圖3(a)所示，采用縮比模型。內(nèi)部由八個干燥器試驗件組合而成，紅色為孔板。內(nèi)部單個干燥器試驗件尺寸如圖3(b)。
圖3 中截面?zhèn)纫晥D(a)和其中單個干燥器試驗件模型Fig.3 The side view of the section(a) and single steam dyer model(b).
3.3有限元模型
根據(jù)蒸發(fā)器上腔室分析需求，建立上腔室網(wǎng)格模型，如圖4。中心圓孔為入口端，用于加載聲學(xué)激勵。分析中施加的聲載荷為1Pa。內(nèi)部材料為空氣域，密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s。上腔室模型底部定義為多孔吸聲材料，其余邊界為剛性壁面，聲波全反射不會被吸收。
圖4 蒸發(fā)器上腔室網(wǎng)格模型俯視圖Fig.4 Vertical view of the upper chamber of steam generators finite element model.
3.4計算結(jié)果
在入口端施加聲壓載荷，計算蒸發(fā)器上腔室內(nèi)部聲壓級頻域分布云圖，計算最高頻率為4000 Hz。
圖5顯示，頻率較低時由于聲波波長較長，超過模型尺度，內(nèi)部聲場分布較為均勻，干燥器表面聲壓載荷與激勵幅值相仿。最低聲壓級在入口端（94 dB，即定義的1 Pa聲壓載荷），上腔室內(nèi)部聲壓級普遍高于激勵端聲壓級數(shù)值。
圖5 低頻聲壓級分布云圖Fig.5 Sound pressure level contour at low frequency.
當(dāng)頻率增加，聲波在上腔室內(nèi)部反射疊加，形成一定的駐波現(xiàn)象，即直達聲波與腔內(nèi)的反射聲波相互干擾而形成的波形。圖6為蒸發(fā)器上腔室內(nèi)部中頻聲壓級分布云圖。干燥器安裝位置聲壓級響應(yīng)較小，最大聲壓級出現(xiàn)在入口端。
圖6 中頻聲壓級分布云圖Fig.6 Sound pressure level contour at mid-frequency.
駐波現(xiàn)象的發(fā)生與聲波頻率、空間形狀相關(guān)。在上腔室內(nèi)部聲壓級分布在不同頻率有較大的差異性。即使在狹小的蒸汽發(fā)生器上腔室內(nèi)部，干燥器表面聲載荷分布也有很大區(qū)別。由于試驗測點布置難度大，因此后續(xù)試驗方案測點的選擇需要借鑒計算研究的聲載荷分布特征。另外干燥器表面承受聲載荷分布的不均勻性，對干燥器發(fā)生聲疲勞的部位也有影響。
4 總結(jié)
為了研究國內(nèi)核電站在功率提升時所面臨的蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞隱患，本人調(diào)研國外同行的研究進展，并在此基礎(chǔ)上采用計算聲學(xué)軟件ACTRAN進行仿真分析，為后續(xù)的試驗方案提供技術(shù)支撐。
對蒸發(fā)器上腔室模型研究表明：當(dāng)施加單位載荷時，上腔室縮比模型內(nèi)部存在不均勻的聲載荷分布，在某些頻率處，干燥器表面聲載荷有非常大的差異性。因為上腔室內(nèi)部空間狹小，通過試驗方法研究干燥器表面的聲載荷，需注意測點布置對測試結(jié)果的影響。研究中獲得的各頻率聲場分布特征，可根據(jù)聲學(xué)相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換為對應(yīng)頻率的結(jié)構(gòu)承受聲載荷，為進一步聲疲勞分析提供輸入數(shù)據(jù)。
目前國內(nèi)在核設(shè)備包括蒸汽發(fā)生器干燥器聲共振引起的疲勞研究還處于起步階段，本文的研究成果與思路可供相關(guān)領(lǐng)域的研究人員參考。
1 Daniel V Sommerville. Scaling laws for model test based BWR steam dryer fluctuating load definition[C]. Proceedings of PVP2006-ICPVT-11, 2006 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, PVP2006-ICPVT-11-93703
2 Keita Okuyama, Akinori Tamura, Masaya Ohtsuka, et al. Flow visualization of acoustic resonance for safety relief valves in power uprated BWRs[C]. Proceedings of the 17thinternational conference on nuclear engineering, ICONE17-75035
3 Shiro Takahashi, Masaya Ohtsuka. Experimental study of acoustic and flow-induced vibrations in BWR main steam lines and steam dryers[C]. Proceedings of PVP2008, 2008 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, July 27-31, 2008, Chicago, Illinois, USA, PVP2008-61318
4 Okuyama K, Akinori Tamura, Shiro Takahashi, et al. Flow-induced acoustic resonance at the mouth of one or two side branches[J]. Nuclear Engineering and Design, 2011, 249: 154?158
5 Masaya OHTSUKA, Kiyoshi FUJIMOTO. Study on acoustic resonance and its damping of BWR steam dome[C]. Proceedings of ICAPP’06 Reno, NV USA, June 4-8, 2006: 6186
6 Jin Yan, Francis Bolger. Acoustics impact on steam dryer induced by main steam line break in a boiling water reactor[J]. Nuclear Engineering and Design, 2009, 239: 2843–2848
Research on acoustic fatigue experimental models of the dryer in steam generators
LI Qi1ZHANG Kai2ZU Hongbiao2
1(Shanghai Hikey-Sheenray Information Technology Corporation, Ltd., Shanghai 200235, China) 2(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)
Background: When upgrading the reactor power to promote the power efficiency of nuclear power plants, the BWR steam dryer is easier to be damaged by high cycle pulsating pressure, which is called acoustic fatigue problem. Purpose: An acoustic fatigue experimental schemes in steam generators is designed to study the acoustic load on the steam dryer. Methods: The acoustical computational software ACTRAN has been applied to simulate the acoustic pressure distribution inside scaled model of the upper chamber of steam generators. Results: Sound pressure level contour distributions at different frequencies are predicted. Conclusions: Sound pressure level contour distribution at mid-frequency is heterogeneous which is different with the low frequency one.
Nuclear power, Steam dryer, Acoustic fatigue, ACTRAN
TB534+.3，TM623.8
10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040622
李奇，男，1981年出生，2009年于上海同濟大學(xué)聲學(xué)所獲理學(xué)博士學(xué)位，2008年于瑞典皇家工學(xué)院獲副博士學(xué)位，研究領(lǐng)域：計算
聲學(xué)、噪聲與振動控制、氣動聲學(xué)
2012-10-31，
2013-01-21
CLC TB534+.3, TM623.8
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核電，干燥器，聲疲勞，ACTRAN
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圖1 安全閥管道內(nèi)的流致聲共振現(xiàn)象Fig.1 Flow-induced acoustic resonance phenomenon.
圖2 蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞問題原理圖Fig.2 Schematic diagram of the steam dryer.
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為評估目前核電站蒸汽發(fā)生器干燥器的聲載荷及聲疲勞問題，本文對蒸汽發(fā)生器上腔室模型進行仿真分析。通過在主蒸汽管道出口端施加單位聲載荷，預(yù)測干燥器表面聲載荷分布特征，為后續(xù)試驗研究及干燥器聲疲勞分析提供技術(shù)支撐。
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駐波現(xiàn)象的發(fā)生與聲波頻率、空間形狀相關(guān)。在上腔室內(nèi)部聲壓級分布在不同頻率有較大的差異性。即使在狹小的蒸汽發(fā)生器上腔室內(nèi)部，干燥器表面聲載荷分布也有很大區(qū)別。由于試驗測點布置難度大，因此后續(xù)試驗方案測點的選擇需要借鑒計算研究的聲載荷分布特征。另外干燥器表面承受聲載荷分布的不均勻性，對干燥器發(fā)生聲疲勞的部位也有影響。
4 總結(jié)
為了研究國內(nèi)核電站在功率提升時所面臨的蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞隱患，本人調(diào)研國外同行的研究進展，并在此基礎(chǔ)上采用計算聲學(xué)軟件ACTRAN進行仿真分析，為后續(xù)的試驗方案提供技術(shù)支撐。
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